深圳市暴雨和雷雨大風預警信號發(fā)布策略

王蕊，江崟，王明潔，3，陳訓來，3，黃曉瑩

（1.深圳市氣象臺，廣東 深圳 5 1 8 0 4 0；2.深圳市國家氣候觀象臺，廣東 深圳 518040；3.深圳南方強天氣研究重點實驗室，廣東 深圳 5 1 8 0 4 0；4.廣東省氣象臺，廣東 廣州 510640）

深圳位于華南沿海，屬亞熱帶季風氣候，暴雨、雷雨大風等災害性天氣頻發(fā)。為充分發(fā)揮防災減災第一道防線作用，做好城市防災減災氣象服務，準確及時發(fā)布暴雨、雷雨大風等預警信號則是重要手段之一。1994年6月深圳市人民政府發(fā)布了《深圳經(jīng)濟特區(qū)防洪防風規(guī)定》（深圳市人民政府令第27號），深圳市率先在國內(nèi)實施氣象災害預警信號發(fā)布制度［1］，經(jīng)過5次修訂，至今共形成6部關于氣象災害預警信號發(fā)布的深圳市人民政府令。

為加強氣象災害預警信號業(yè)務管理，促進氣象災害預警質量的提高，2015年廣東省氣象局制定《廣東省暴雨、雷雨大風、冰雹、大霧、灰霾預警信號發(fā)布質量檢驗辦法》（以下簡稱《檢驗辦法》）［2］，預警信號發(fā)布質量被納入現(xiàn)代化考核指標，在深圳氣象發(fā)展十四五規(guī)劃中也是一項重要任務。在預警信號發(fā)布業(yè)務中，預報員既要考慮氣象防災減災服務效果，又要兼顧預警信號評分質量。

近年來，許多學者對預警信號統(tǒng)計特征、發(fā)布策略等方面進行了研究。趙春陽等［3］和徐婷等［4］分別對深圳市臺風、暴雨預警信號發(fā)布情況進行分析；曹春燕等［5］從預警信號發(fā)布時機等方面探討涉及停工停課的預警信號發(fā)布策略和技巧；李海鷹等［6］指出預警信號發(fā)布工作需以防災減災效果以及政府和公眾滿意程度作為標準，重點把握上下班、上下學及大型活動期間等重點時段暴雨預警的發(fā)布［7］。然而目前綜合考慮預警檢驗評分和防災減災效果發(fā)布策略的研究較少。本研究通過分析2019—2021年深圳市暴雨和雷雨大風預警信號發(fā)布及檢驗評分情況，綜合考慮預警發(fā)布質量和防災減災需求，從中總結一些技巧和策略，以期對今后預警發(fā)布提供參考。

1 資料和方法

對2019—2021年深圳市氣象臺發(fā)布的暴雨、雷雨大風預警信號歷史資料進行統(tǒng)計分析，并按照檢驗辦法進行質量評估。暴雨和雷雨大風預警信號級別由低到高分為黃色、橙色和紅色。在統(tǒng)計預警信號數(shù)量時，同一等級預警擴展或取消區(qū)域，該等級預警只計數(shù)1次，如福田區(qū)暴雨黃色擴展至羅湖區(qū)，計全市暴雨黃色預警1次；寶安區(qū)沙井街道暴雨黃色擴展至寶安區(qū)福海街道，計寶安區(qū)暴雨黃色預警1次。此外，因為2021年深圳開始執(zhí)行《深圳市氣象災害預警信號發(fā)布規(guī)定》（深圳市人民政府令第334號），才開始發(fā)布雷雨大風預警信號，因此本研究涉及雷雨大風的統(tǒng)計為2021年數(shù)據(jù)。

檢驗內(nèi)容包括暴雨、雷雨大風預警信號的準確性和時效性。準確性檢驗的指標包括TS評分、空報率、漏報率和命中率：

TS評分：

空報率：

漏報率：

命中率：

其中，NAk為預報正確次數(shù)；NBk為空報次數(shù)；NCk為漏報次數(shù)；k為預警信號級別，分為1～3級，分別代表黃色、橙色和紅色預警信號。

提前量由所有發(fā)布的預警信號和漏報的災害性天氣的提前量統(tǒng)計得出：

預警信號提前時間（C）：

其中，A為預警信號的發(fā)布時間；B為與預警信號對應的災害性天氣實況出現(xiàn)時間。

預警的提前量：

其中，∑Ck為第k級預警信號的提前時間總和；k為預警信號的級別。

2 預警信號發(fā)布的時空分布特征

2.1 時間分布

統(tǒng)計可知，2019—2021年深圳市發(fā)生局地暴雨及以上降水的天數(shù)為158 d，主要出現(xiàn)在5—9月（141 d，占89.2%）。暴雨預警信號共發(fā)布288次，主要集中在5—9月（占87.9%），其中8月最多；前汛期（3—6月）和后汛期（7—10月）發(fā)布次數(shù)分別為111和178次（圖1a）。暴雨預警信號以暴雨黃色預警信號最多（占比67.0%），橙色次之（占比27.8%），紅色最少，為15次（占5.2%）。8月暴雨黃色預警升級為高級別預警的概率最大，約占60%。2021年發(fā)布雷雨大風預警信號共45次，等級均為黃色，以5—9月為主（42次，占93.3%），且6月最多（12次，占26.7%）（圖1b）。由此可見，5—9月是暴雨、雷雨大風預警信號發(fā)布的集中期，這與深圳市局地以上暴雨日數(shù)顯著相關。

圖1 2019—2021年深圳暴雨（a）和雷雨大風（b）預警信號逐月分布

2.2 空間分布

2007年7月深圳開始實行氣象災害預警分區(qū)發(fā)布［8］。如圖2a所示，2019—2021年深圳分區(qū)暴雨預警發(fā)布次數(shù)排名前3的區(qū)域為龍崗、寶安和龍華，大致呈現(xiàn)北多南少、陸地遠高于海區(qū)的分布，這與深圳短時強降水高風險區(qū)較為一致［9］。暴雨紅色預警主要發(fā)布在大鵬、龍崗和坪山，多與地形和季風導致的短時強降水相關［9］。在各級別暴雨預警中，龍崗均處于首位，其暴雨黃色、橙色和紅色預警發(fā)布次數(shù)分別為193、57和8次。2021年雷雨大風預警在前、后汛期空間分布特征不同，在前汛期，雷雨大風預警表現(xiàn)為“一個中心”，主要集中西部地區(qū)，以西部海區(qū)（14次）和寶安（13次）為首；而在后汛期，表現(xiàn)為“兩個中心”，主要集中在西部和東北部，以龍崗（19次）和寶安（16次）為首（圖2b）。

圖2 2019—2021年深圳各區(qū)發(fā)布暴雨（a）和雷雨大風（b）預警信號頻次

3 暴雨、雷雨大風預警信號效果檢驗

3.1 準確性評估

根據(jù)檢驗辦法，2019—2021年深圳暴雨正確預警，即發(fā)布暴雨預警同時實況達標，為162次，空報126次，漏報1次，出現(xiàn)在2019年10月12日。暴雨預警所有級別命中率為99.4%，TS評分為56.1%（表1），其中暴雨橙色和紅色預警（高級別預警）TS評分較高，分別達88.9%和86.7%，但暴雨黃色預警TS評分較低（39.9%），這與暴雨黃色預警空報率（60.1%）較高，而暴雨高級別預警空報率（10%）較低有關。暴雨黃色、橙色和紅色預警TS評分均表現(xiàn)為前汛期小于后汛期，尤其是暴雨黃色預警，前汛期（26.0%）僅為后汛期（49.1%）50%左右。

表1 2019—2021年暴雨、雷雨大風預警信號檢驗評分

2021年發(fā)布雷雨大風預警信號共45次，其中正確預警22次，空報23次，無漏報。雷雨大風預警命中率為100%，TS評分為48.9%，空報率達51.1%。前汛期TS評分（41.2%）略小于后汛期（53.6%）。由此可見，暴雨預警、雷雨大風預警TS評分偏低主要是由于空報較多，而且前汛期低于后汛期。

3.2 時效性評估

從表1可以看出，暴雨預警所有級別提前量為47.3 min，且前汛期高于后汛期，其中暴雨高級別預警提前量顯著低于暴雨黃色預警（66.4 min），僅為30 min，這一方面是由于暴雨高級別預警涉及到推遲上下學、停課等，發(fā)布較為慎重，導致實況接近或已達到預警閾值才發(fā)布，時效性不高；另一方面是由于深圳降水多以短時強降水為主，發(fā)布暴雨黃色預警后短時間內(nèi)就達到暴雨橙色預警標準，而為了避免短時間內(nèi)連續(xù)發(fā)布升級預警造成三防等決策部門來不及響應，往往會錯過升級預警的最佳時間，提前量偏低。

雷雨大風預警提前量為19.6 min，與暴雨預警一致表現(xiàn)為前汛期高于后汛期，前汛期提前量（31.7 min）約為后汛期（14 min）兩倍，這與前汛期多為自北向南移動的颮線系統(tǒng)影響有關，在2021年雷雨大風預警提前量超過60 min的預警中有3次為颮線過程（占75%）；而后汛期局地強回波影響較多，較難判斷其生消發(fā)展，往往實況出現(xiàn)才補發(fā)預警，提前量較低。

4 預警信號發(fā)布策略和技巧

4.1 跨級別發(fā)布預警信號

在2019—2021年，深圳暴雨預警無跨等級發(fā)布，目前在預警信號發(fā)布業(yè)務中，大多數(shù)預警也均采用逐級升級的方式。如第3章所述，深圳以短時強降水為主，逐級升級會導致高級別暴雨預警提前量較低。

2021年9月16日廣東處于副高邊緣不穩(wěn)定區(qū)域，下午局地對流發(fā)展旺盛，15：00（北京時，下同）左右廣州南沙和東莞一帶有強降水雷達回波發(fā)展（圖3a），并逐漸向東南方向移動；受其影響，15：55記錄到30 min最大雨量36.8 mm，深圳發(fā)布分區(qū)暴雨黃色預警，16：10最大累計雨量超過50mm，且降雨集中在1 h內(nèi)，將暴雨黃色預警升級為橙色；之后降水雷達回波強度基本維持（圖3b），降水效率高，16：40升級為暴雨紅色預警，此時記錄到最大3 h雨量86.2mm，且降水仍集中在1 h內(nèi)；18：05取消暴雨紅色預警，記錄到最大3 h雨量98.9mm。從寶安長流陂水庫站小時雨量分布（圖3c）可知，該次強降水主要集中在1 h內(nèi)。

圖3 9月16日15：00（a）、16：48（b）雷達回波（單位：dBz）、寶安長流陂水庫站小時雨量分布（c）

回顧該次預警信號發(fā)布，在防災減災服務方面，暴雨紅色預警發(fā)布是成功的。雖然按照檢驗辦法暴雨紅色預警未達標，TS評分為0分，但在取消預警后32 min寶安長流陂水庫站達標，而且該次降水雨強大，無論決策部門還是公眾對此次暴雨紅色預警均反映良好，不足之處在于暴雨橙色預警提前量為0。實際上，由于該次降水效率較高，當值預報員在發(fā)布暴雨黃色預警時，認為后續(xù)大概率會升級暴雨橙色預警，但是一般不會跨級別發(fā)布預警，所以還是先發(fā)布黃色預警，15 min后實況已達暴雨橙色時，才升級預警。如果跨級別發(fā)布暴雨橙色預警，那么提前量將從0 min提升至15 min，可為防災部門爭取更多應急響應時間。因此，當預計暴雨過程具有雨強大、雨勢急等明顯短時強降水特點時，跨級別發(fā)布預警信號既可以提高預警提前量，又可以為防災部門預留更多防御時間。

4.2 設立預警指標站

統(tǒng)計可知，2021年雷雨大風多出現(xiàn)于降雨云團自西北向東南、自東北向西南和自東南向西北3種情況，其中系統(tǒng)方向為自西北向東南的平均提前量最高，為43.6 min（表2）。

表2 不同系統(tǒng)方向雷雨大風頻次和平均提前量

在西北-東南移動的6次過程中，上游地區(qū)均出現(xiàn)陣風≥8級；在東北-西南移動的5次過程中，有1次上游自動站陣風≥8級，其提前量為17 min，而其余4次上游未出現(xiàn)達標自動站的過程平均提前量僅為10.5 min，由此可見，上游實況監(jiān)測是預警發(fā)布的重要依據(jù)。

2021年深圳建立“關注區(qū)、監(jiān)視區(qū)、警戒區(qū)+責任區(qū)”災害性強天氣三級監(jiān)測預警防線服務機制，進行遞進式滾動提示和預警：第一級預警防線為回波進入關注區(qū)（距離深圳150～250 km）；第二級預警防線為回波進入監(jiān)視區(qū)（距離深圳100～150 km）；第三級預警防線為回波進入警戒區(qū)+責任區(qū)（距離深圳100 km以內(nèi)）。結合深圳災害性強天氣三級預警防線服務機制，將距離深圳邊界50 km范圍內(nèi)的自動站設立為上游預警指標站，當上游預警指標站監(jiān)測到小時雨量≥20 mm／h，或者出現(xiàn)陣風≥8級時，在業(yè)務系統(tǒng)中設置自動彈窗提醒，讓預報員第一時間掌握實況。

4.3 加強海上監(jiān)測

從表2可知，對于西南-東北和東南-西北方向移動的系統(tǒng)，由于其上游在海上，缺乏觀測數(shù)據(jù)，在發(fā)布雷雨大風預警時由于缺乏實況參考，預警提前量較低。因此，加強海上監(jiān)測是提高海上系統(tǒng)預警提前量的重要手段。目前，深圳市氣象局開展基于風云四號衛(wèi)星的強對流監(jiān)測研究，在華南對流衛(wèi)星多通道閾值統(tǒng)計基礎上，使用隨機森林等算法，開發(fā)對流識別和衛(wèi)星降水估測等強對流監(jiān)測產(chǎn)品，并且開展基于中氣旋識別的災害性大風監(jiān)測。此外，基于最低混合有效仰角反射率，通過雨滴譜數(shù)據(jù)，擬合降水反演關系，并選擇合適的權重，將S波段天氣雷達和X波段雙偏振相控陣天氣雷達的降水產(chǎn)品拼接，提高降水觀測產(chǎn)品的時空分辨率。更多海上監(jiān)測實況，有利于預報員對海上對流系統(tǒng)的預測，從而準確及時發(fā)出暴雨、雷雨大風預警信號。

4.4 優(yōu)化預警發(fā)布平臺

操作簡便、高效、智能的預警發(fā)布平臺是預警信號快速發(fā)布和傳播的重要保障，深圳市氣象局分區(qū)預警發(fā)布平臺已經(jīng)發(fā)展了近15年，然而決策部門和公眾對預警時效性要求越來越高，這對預警發(fā)布平臺提出了更高的要求。目前深圳市氣象局正在開發(fā)根據(jù)實況、雷達外推和智能臨近預報自動預警的預警平臺，預報員只需在自動預警區(qū)域的基礎上進行修改、確認發(fā)布，節(jié)約手動預警區(qū)域所花費的時間，為預警信號的快速發(fā)布和傳播爭分奪秒，尤其對于快速發(fā)生發(fā)展的強對流天氣，其整個生效過程時間有時僅僅十幾分鐘到30 min，每提高1 min，就可以為防災減災部門多爭取一分鐘的防御時間。

5 結論

1）深圳市暴雨、雷雨大風預警信號發(fā)布均集中在5—9月，8和6月發(fā)布次數(shù)最多。暴雨預警發(fā)布大致呈北多南少、陸地遠高于海區(qū)分布。雷雨大風預警在前汛期表現(xiàn)為“一個中心”，主要集中西部地區(qū)，在后汛期則表現(xiàn)為“兩個中心”，主要集中在西部和東北部。

2）在準確性方面，暴雨高級別預警（暴雨橙色、紅色）TS評分較高，分別達88.9% 和86.7%；而暴雨黃色預警、雷雨大風預警TS評分偏低與空報率較高有關。在時效性方面，暴雨、雷雨大風預警提前量分別為47.3和19.6 min，且前汛期高于后汛期。

3）為提高預警評分，且提升防災減災服務效果，可從4方面著手：一是視情況跨級發(fā)布預警，提升高級別預警提前量，為決策部門爭取更多防御部署時間；二是將距離深圳邊界50 km范圍內(nèi)的自動站設立為上游預警指標站，設置閾值自動彈窗提醒，預報員第一時間掌握實況；三是開發(fā)基于衛(wèi)星、雷達的強對流監(jiān)測產(chǎn)品，拼接S波段天氣雷達和X波段雙偏振相控陣天氣雷達的降水產(chǎn)品，提高降水觀測產(chǎn)品的時空分辨率，從而加強海上監(jiān)測；四是優(yōu)化預警發(fā)布平臺，提高預警發(fā)布智能化水平。